生物反應(yīng)工程原理 第三版 課后答案 (賈士儒)

1、簡答題1、說明動物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器中流體剪切力的主要來源？P210主要來源為：機(jī)械剪切力、氣體攪拌剪切力2、說明固定化酶反應(yīng)的模數(shù)的物理意義，它與那些變量與參數(shù)有關(guān)？P103 = 表面濃度下的反應(yīng)速率 / 內(nèi)擴(kuò)散速率 = 最大反應(yīng)速率的特征值 / 最大內(nèi)擴(kuò)散速率的特征值一級反應(yīng)：1 = 1 (VP，SP，kV1，De)與內(nèi)擴(kuò)散速率、反應(yīng)速率、內(nèi)擴(kuò)散阻力、對反應(yīng)速率的限制程度、有效因子等有關(guān)，而內(nèi)擴(kuò)散的有效因子又和顆粒粒度、顆?；钚?、孔隙率、孔徑、反應(yīng)溫度等有關(guān)3、哪些傳遞過程特性與流體流動的微觀效應(yīng)有關(guān)？P223，P298 7-30，PPT P1圖4、從反應(yīng)器內(nèi)物料混合的角度說明反應(yīng)器放大過程中

2、傳遞過程特性的變化？P235有流體流變特性、流體剪切作用、傳質(zhì)特性、氧的傳遞、質(zhì)量傳遞5、說明生物反應(yīng)器中對流體剪切力的估計(jì)參數(shù)有哪些？P210通過混合，可使反應(yīng)器中物料組成與溫度、pH分布更趨于均勻，可強(qiáng)化反應(yīng)體系的傳質(zhì)與傳熱，使細(xì)胞或顆粒保持懸浮狀態(tài)(1) 宏觀混合：機(jī)械攪拌反應(yīng)物流發(fā)生設(shè)備尺寸環(huán)流，物料在設(shè)備尺度上得到混合，對連續(xù)流動反應(yīng)器即為返混(2) 微觀混合：物料微團(tuán)尺度上的混合，反映了反應(yīng)器內(nèi)物料的聚集狀態(tài)6、生物反應(yīng)器操作選擇補(bǔ)料分批培養(yǎng)的理由有哪些？P131，P177(1) 積分剪切因子 ISF = L / x = 2Nd / (D-d)(2) 時均切變率 ave(3) 最小

3、湍流漩渦長度7、說明臨界溶氧濃度的生理學(xué)意義？P62，P219補(bǔ)料分批操作的特點(diǎn)是：可調(diào)節(jié)細(xì)胞反應(yīng)過程環(huán)境中營養(yǎng)物質(zhì)的濃度，一方面可避免某些營養(yǎng)成分的初始濃度過高而出現(xiàn)底物抑制的現(xiàn)象；另一方面又可防止某些限制性營養(yǎng)成分在反應(yīng)過程中被耗盡而影響細(xì)胞生長及產(chǎn)物形成。同時還可解除產(chǎn)物的反饋抑制及葡萄糖的分解阻遏效應(yīng)等。故在細(xì)胞反應(yīng)過程中，實(shí)施流加操作可有效對反應(yīng)過程加以控制，以提高反應(yīng)過程的水平。8、說明得率系數(shù)的實(shí)質(zhì)，它與哪些條件有關(guān)？P42對于好氧微生物細(xì)胞反應(yīng)，微生物細(xì)胞對于氧有一個最低的要求，將能滿足微生物呼吸的最低氧濃度稱為“臨界溶氧濃度”，用COL,C表示。當(dāng)溶氧濃度COL值較低時，即C

4、OL < COL,C，氧的比消耗速率qO2則隨COL的升高而近似線性遞增，細(xì)胞生長速率與溶氧濃度的關(guān)系可近似看作一級動力學(xué)關(guān)系，細(xì)胞生長將受氧濃度限制的影響；當(dāng)COL > COL,C時，此時qO2不再隨著COL的變化而變化，qO2 = qO2，max，細(xì)胞生長速率與溶氧濃度無關(guān)。故對于好氧微生物細(xì)胞反應(yīng)，為了消除氧限制的影響，應(yīng)要求將反應(yīng)液中溶氧濃度的水平控制在其臨界值以上。9、對半連續(xù)操作方式，Gaden III類反應(yīng)器是否合適？P70GadenIII分類為非生長得率型產(chǎn)物，即生成產(chǎn)物與細(xì)胞生長無直接關(guān)系，產(chǎn)物為次級代謝產(chǎn)物，而半連續(xù)操作可以得到高密度細(xì)胞，可延長細(xì)胞生長穩(wěn)定期的

5、時間，適合次級代謝產(chǎn)物合成的特點(diǎn)，以提高其產(chǎn)量，所以該反應(yīng)器適合。10、舉例說明應(yīng)用生物反應(yīng)工程的研究方法及原理？P162有：CSTR與膜過濾組合的細(xì)胞循環(huán)系統(tǒng)，對廢水的生物處理系統(tǒng)。原理：該過程由于活性污泥的沉降性能很好，很容易利用沉降的方法，將待處理水中的污泥進(jìn)行濃縮，再返回反應(yīng)器(曝氣池)中，通過活性污泥大量循環(huán)的方法，來保持曝氣池中的活性污泥濃度，解決了要求的廢水處理量遠(yuǎn)大于活性污泥的比生長速率矛盾，這樣既可以增加反應(yīng)器的處理能力，又可以提高處理水的質(zhì)量。11、可以實(shí)現(xiàn)擬穩(wěn)態(tài)的操作方式有哪些？PPT有：補(bǔ)料分批操作中的恒速流加，反復(fù)補(bǔ)料分批培養(yǎng)，反復(fù)流加，連續(xù)式操作。12、說明動物細(xì)胞

6、培養(yǎng)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)原理？PPT該反應(yīng)器配有攪拌槳，其目的是為了混合均勻。此外，反應(yīng)器模擬了體內(nèi)生長環(huán)境，在無菌、適溫及豐富的營養(yǎng)條件下，使細(xì)胞生長高密度、大規(guī)模培養(yǎng)。13、說明固定化酶反應(yīng)的Da準(zhǔn)數(shù)的物理意義，它與哪些變量與參數(shù)有關(guān)？P91Da = 最大反應(yīng)速率 / 最大傳質(zhì)速率Da = rmax / (kLaco)Da值可作為判斷外擴(kuò)散控制或反應(yīng)控制的參數(shù)，Da = Da(rmax，kLa，co)14、說明由最小湍流漩渦長度判斷剪切力對細(xì)胞造成損傷的原理。機(jī)械攪拌反應(yīng)器中流體剪切力是否會對微生物細(xì)胞造成損傷？P213在湍流條件下，流體的剪切作用與細(xì)胞所處環(huán)境的速度分布有關(guān)，導(dǎo)致細(xì)胞死亡與具有一

7、定速度分布的漩渦的相對大小有關(guān)。當(dāng)漩渦尺寸大于細(xì)胞尺寸時，細(xì)胞會隨著流體一起運(yùn)動，此時流體的流線與細(xì)胞的流線之間速度差很小，細(xì)胞受到的剪切力較小，若漩渦尺寸小于細(xì)胞尺寸，細(xì)胞受到較大的剪切力，進(jìn)而受到損傷，而微生物有細(xì)胞壁的保護(hù)一般不會受損。15、說明本征（微觀）動力學(xué)和宏觀動力學(xué)的概念。影響宏觀動力學(xué)速率的因素有哪些？P4 下方(1) 本征動力學(xué)又稱為微觀動力學(xué)，在無傳遞等工程因素影響時，生物反應(yīng)固有的速率。該速率除了反應(yīng)本身的特性之外，只與各反應(yīng)組份的濃度、溫度、催化劑以及溶劑的性質(zhì)有關(guān)，而與傳遞因素?zé)o關(guān)。(2) 反應(yīng)器動力學(xué)又稱為宏觀動力學(xué)，在一反應(yīng)器內(nèi)所觀測得到的總反應(yīng)速率，其影響因素

8、有：反應(yīng)器的形式與結(jié)構(gòu)、操作方式、物料的流動與混合、傳質(zhì)與傳熱等。16、說明反饋控制的概念，有哪些操作方式使用這種控制方式？P185在反饋控制流加中，常采用便于檢測的參數(shù)來推測細(xì)胞的濃度或者產(chǎn)物的積累，或者求出與細(xì)胞活性或代謝相關(guān)的參數(shù)，如耗氧速率以及呼吸商等，進(jìn)而對細(xì)胞反應(yīng)過程進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。有：補(bǔ)料分批流加操作、連續(xù)操作等。17、說明空時與空速的概念，它們與反應(yīng)速率的關(guān)系如何？P133 及 PPT若反應(yīng)器體積為VR，物料流入反應(yīng)器的體積流量為F，平均停留時間=VR / F，又稱為空間的時間，簡稱為空時。越小，表示反應(yīng)器處理物料的能力越大，的倒數(shù)-1成為空間速度，常以Sv = -1 = F

9、/ VR來表示反應(yīng)器體積單位時間內(nèi)所處理的物料量，空速越大，反應(yīng)器處理能力也越大。18、以M-M動力學(xué)為例，說明如何按空時最小化原則進(jìn)行反應(yīng)器的設(shè)計(jì)？P144 m = VR / F = (cs-cs0) / rs，rs = rmaxcs / (ks+cs) m = (cs0-cs)(ks+cs) / rmaxcs計(jì)算題1、推導(dǎo)CSTR的空時計(jì)算式 = (cx-cx0) / rxP143-144其中，rx為cx的函數(shù)。2、 推導(dǎo)P185的pH恒定法流加的加料特性式 (4-312)P1853、 已知底物抑制酶反應(yīng)，rmax = 2.2 mol/(L·min)，Km = 4.7×

10、10-2 mol/L，KSI = 0.3 mol/L，加料流量F = 100 L/min，進(jìn)料底物濃度cS0 = 0.473 mol/L，轉(zhuǎn)化率xS = 0.90(1) 設(shè)計(jì)一個CSTR+CPFR系統(tǒng)，計(jì)算其中CSTR的最小反應(yīng)器體積(作圖說明)(2) 如采用循環(huán)式CPFR，試求出平推流反應(yīng)器進(jìn)口反應(yīng)速率最大時的循環(huán)比P22(1)(2)FF FCSTR，cs1 CPFR Cs0 cs1 csf4、 某發(fā)酵過程， = 0.5CS / (2+CS) (h-1)，CS0 = 50.0 g/L，YX/S = 0.6(1) 設(shè)在一定體積V的單個CSTR中進(jìn)行穩(wěn)態(tài)、無細(xì)胞死亡的操作，求臨界稀釋率DC、最大

11、細(xì)胞生產(chǎn)率rx,max、最佳稀釋率Dopt、底物轉(zhuǎn)化率XS(2) 如采用以上最優(yōu)加料速率，在反應(yīng)器后再串聯(lián)一個CSTR，并使最后CS = 1g/L，則求第2個反應(yīng)器的有效體積(3) 如用反應(yīng)器總體積V的2個CSTR串聯(lián)系統(tǒng)，仍采用上述加料流量。試計(jì)算雙罐系統(tǒng)的臨界稀釋率，再證明雙罐系統(tǒng)的第一罐的體積須大于0.83VP148 公式(1) Dc = maxcs0 / (ks+cs0) =maxcs / (ks+cs)=0.5cs / (2+cs)=0.5，ks=2Dc = 0.5×50÷(2+50)=0.481/h，Dopt = F/VR(2) cx1 = cx0+YX/S(c

12、s0-cs1) = 25.2g/L cx2 = cx1+YX/S(cs1+cs2) = 29.4g/L YX/S = (cx-cx0) / (cs0-cs1)YX/S = (cx2-cx1) / (cs1-cs2)m2 = VR2 / F = (cx2-cx1) / rx2rx2 = maxcs2cs2 / (ks+cs2)VR2 = F(cx2-cx1)/rx2由(1) Dopt = F/VR1 = F/VF = 0.4VVR1 = V V = 0.4V×(29.4-25.2) / 4.9 = 0.354V(3) Dc = Dc1 = Dc2 =maxcs0 / (ks+cs0)D

13、1 < Dc <=> F / VR1 < 0.48/hVR1 > F/0.48 =0.4V×0.48 = 0.83V故可得證5、 某動物細(xì)胞培養(yǎng)過程，若采用機(jī)械攪拌反應(yīng)器，試確定最大允許的攪拌速度，所得的攪拌速度數(shù)值是否合理？若不合理，如何在此條件下避免細(xì)胞死亡？已知，細(xì)胞直徑為20m，培養(yǎng)液運(yùn)動黏度 = 10-6m2/s，密度 = 1000 kg/m3，反應(yīng)器有效體積VR =2×10-3m3，攪拌器直徑 d = 0.07m，攪拌功率NP = 1.5P213-214令 = 2m = 2×10-5m由 = (v3÷)1/4可知：= v3/4 = (10-6)3/(2×10-5)4 = 6.25m2/s3攪拌槳功率：p = d3 = 6.25&#